Кратко — сначала ключевые данные (стехиометрия и потребность в водороде), затем сравнение по критериям.
Ключевые числа
- Реакция: ${\mathrm{N}}_2+3{\mathrm{H}}_2\to 2N{\mathrm{H}}_3$.
- Водород на $1\mathrm{t}$ аммиака: $m_{H_2}=\frac{1000\mathrm{kg}}{0.017kg/mol}\times 1.5\times 0.002kg/mol\approx 176\mathrm{kg}$.
- Теоретическая минимальная электрическая энергия для электролиза воды: порядка $\sim 39kWh/kg{\mathrm{H}}_2$ (термодинамический минимум); практические электролизёры: $\sim 45\text{–}55kWh/kg$.
- Следовательно электрическая энергия для производства $H_2$ на $1\mathrm{t}N{H}_3$ (электролиз): $176\times (45\text{–}55)\mathrm{kWh}\approx 7.9\text{–}9.7\mathrm{MWh}\approx 28.4\text{–}34.9\mathrm{GJ}$. Добавьте энергию синтеза (компрессия, нагрев, циркуляция): ещё примерно $\sim 1\text{–}3GJ/t$.
Сравнение процессов
1) Классический Haber–Bosch (SMR → H2 → HB)
- Энергоэффективность: общая первичная энергия типично $\sim 25\text{–}35GJ/t\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$ (зависит от эффективности реформинга и теплоутилизации).
- Сырьё: природный газ (метан) → паровой риформинг; азот (воздух), вода в виде пара для реакций.
- Экология: прямые CO2-выбросы от SMR $\sim 1.6\text{–}2.5\mathrm{tC}{\mathrm{O}}_2/t\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$ (вариации по эффективности); также утечки метана в цепочке поставок. Отлично развит, дешёв в капитале и масштабе.
- Ограничения: высокий углеродный след без CCS; лучше для централизованного крупномасштабного производства.
2) "Зелёный" путь: электролиз воды → H2 → Haber–Bosch
- Энергоэффективность: электроэнергия для H2 $\sim 28.4\text{–}34.9GJ/t$ плюс синтез $\sim 1\text{–}3GJ/t$ → суммарно $\sim 30\text{–}38GJ/t$.
- Сырьё: вода и возобновляемая/низкоуглеродная электроэнергия; азот.
- Экология: при возобновляемой энергии почти нулевые CO2-прямые выбросы; основное воздействие — производство электролизёров, инфраструктуры и площадь под ВИЭ.
- Практичность: технологически зрел, но требует большого объёма дешёвой/интегрированной возобновляемой электроэнергии; капитальные затраты на электролиз.
3) "Синее" аммиак: SMR + CCS + HB
- Энергоэффективность: похожа на классический HB, но добавляется энергорасход на сжатие и захоронение CO2 ($+\sim 0.5\text{–}2GJ/t$).
- Сырьё: природный газ; требуется инфраструктура CCS.
- Экология: значительно снижается совокупный CO2 при высоком захвате ($>90\%$), но остаточные выбросы зависят от утилизации и утечек метана по всей цепочке поставок.
- Ограничения: зависимость от надёжности и стоимости CCS; публичные/регуляторные риски.
4) Прямое электрохимическое восстановление азота (N2 → NH3) при низких температурах
- Энергоэффективность: на данный момент очень низкая (Faradaic efficiency и плотности тока малы). Теоретически может быть конкурентной, но текущие экспериментальные показатели часто требуют >>40–100\ \mathrm{GJ/t} эквивалентной электроэнергии при лабораторных условиях.
- Сырьё: азот и вода/протоны + электричество.
- Экология: при возобновляемой энергии — низкие CO2; минимальная тепловая инфраструктура; малые локальные выбросы.
- Ограничения: научно-технический барьер — конкуренция реакции выделения водорода (HER), низкая селективность и производительность; низкий TRL.
5) Плазменные и электрические разряды (N2+H2O/ H2 → NH3)
- Энергоэффективность: пока выше (хуже), чем у HB; экспериментальные установки часто требуют существенно больше электроэнергии на тонну (множество публикуемых значений, но обычно превышают HB).
- Сырьё: воздух/азот и водяной пар или H2; электричество.
- Экология: потенциально без CO2 при использовании возобновляемой энергии; гибкие и модульные; влияние локальное (NOx при неправильной оптимизации).
- Ограничения: КПД активации N2 сложное; коммерческая зрелость ограничена.
6) Фотокаталитические/фотонно-термические процессы
- Энергоэффективность: в теории привлекательны (используют солнечную энергию прямого действия), но экспериментально низкая скорость и селективность. Текущие показатели — очень далёко от промышленных.
- Сырьё: солнечный свет, вода, азот.
- Экология: большой потенциал нулевого углеродного следа; низкий TRL и проблемы масштабирования.
7) Биологические/биотехнологические маршруты
- Энергоэффективность: могут работать при низких температурах и давлениях; но продуктивность на единицу площади/объёма и потребность в биоресурсах ограничивают масштаб.
- Сырьё: биомасса/микроорганизмы/вода; иногда электричество (биоэлектрохимия).
- Экология: потенциально низкоуглеродные, но требует земли/питательных веществ и сложны для индустриального масштаба.
8) Химические циклы/нитридно-металлические маршруты (chemical looping, mechanocatalysis)
- Энергоэффективность: обещают работать при более мягких условиях и без высокого давления; ранние исследования показывают потенциал снизить энергоинтенсивность HB-синтеза, но промышленные данные ограничены.
- Сырьё: металлы/сплавы, N2, H2 или вода/электричество в зависимости от схемы.
- Экология: могут снизить энергетические затраты и выбросы при использовании зелёной энергии; TRL средний-низкий.
Итог — практическое сравнение по критериям
- Энергоэффективность (текущая промышленность): лучший зрелый показатель — HB с SMR по стоимости энергии, но не по CO2; зелёный маршрут (электролиз+HB) требует больше электричества (см. $\sim 30\text{–}38GJ/t$) и потому зависит от стоимости электроэнергии; прочие альтернативы сейчас уступают по КПД и масштабируемости.
- Сырьевые требования: HB(SMR) — природный газ + азот; зелёный — вода + большая электроэнергия + азот; прямое электрокаталитическое/плазменное — N2 + электричество (не требует H2 как промежуточного вещества); биомаршруты — органические ресурсы/микроорганизмы.
- Экологические последствия: без использования низкоуглеродной энергии HB очень углеродоёмок; blue ammonia уменьшает выбросы при условии надёжного CCS; зелёный и прямые электрические/солнечные маршруты обладают наилучшим потенциалом для низких жизненных выбросов CO2, но требуют большое количество дешёвой чистой электроэнергии и материалов (электролизёры, катализаторы).
- TRL и экономичность: HB (SMR) — зрелый и дешевый; электролиз+HB — зрелый компонентно, экономически конкурентен при низкой стоимости ВИЭ; прямые электрокаталитические, фотокаталитические, плазменные — на стадии исследований/пилотов.
Короткий практический вывод
- В ближайшие 5–15 лет наиболее реалистичный путь декарбонизации — производство "зеленого" аммиака через электролиз воды + Haber–Bosch (или адаптированный низко‑давленнный синтез), либо "синий" аммиак с эффективным CCS там, где газ дешев; эти пути требуют либо дешёвой/масштабной ВИЭ, либо надёжного CCS.
- Долгосрочно (технически привлекательны) — прямые электрохимические и фотокаталитические процессы, плазма и химические циклы, но они требуют существенного научного прогресса по селективности, плотности тока и надёжности материалов.
При необходимости могу привести расчёт энергопотребления и выбросов для вашей конкретной установки (мощность ВИЭ, доступный тип электролизёра, желаемая доля CCS и т. п.).